機電班機電一體化系統(tǒng)設(shè)計復(fù)習課

1、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計復(fù)習課(僅供參考)題型一：問答/填空1.機電一體化的定義，基本組成要素（五個子系統(tǒng)）答：定義：在機械的主功能、動力功能、信息功能、控制功能基礎(chǔ)上引入微電子技術(shù)，并將機械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機地結(jié)合所構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。五大功能構(gòu)成要素：機械系統(tǒng)、電子信息處理系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、執(zhí)行控制系統(tǒng)（元件）2.機電一體化系統(tǒng)可靠性的定義答：指系統(tǒng)（產(chǎn)品）在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力?！巴瓿梢?guī)定功能”就是能夠連續(xù)地保持產(chǎn)品（或系統(tǒng)）的工作能力，使各項技術(shù)指標符合規(guī)定值。3.機電一體化系統(tǒng)設(shè)計中控制用微機的特點答：1）較完善的適時中斷系統(tǒng)：實時控制能力、緊急處理能力

2、。2）足夠的存儲容量：有效地保證微機系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)處理工作的正常運行。3）完善的輸入/輸出通道：邏輯、數(shù)字、模擬通道，以及輸入/輸出通道接口數(shù)。4）實時時鐘控制：作為控制系統(tǒng)實現(xiàn)控制功能的基準。除此之外，還有一些特殊要求字長、運行速度、指令、成本、編程難易、輸入/輸出接口擴展能力等。4.光電隔離電路的工作原理及其主要作用答：工作原理：控制輸出時，如圖所示可知，微機輸出的控制信號經(jīng)74LS04 非門反相后，加到光電耦合器G 的發(fā)光二極管正端。當控制信號為高電平時，經(jīng)反相后，加到發(fā)光二極管正端的電平為低電平，因此，發(fā)光二極管不導(dǎo)通，沒有光發(fā)出。這時光敏晶體管截止，輸出信號幾乎等于加在光敏

3、晶體管集電極上的電源電壓。當控制信號為低電平時，發(fā)光二極管導(dǎo)通并發(fā)光，光敏晶體管接收發(fā)光二級管發(fā)出的光而導(dǎo)通，于是輸出的電平幾乎等于零。作用：1）可將輸入/輸出兩部分的供電電源和電路的地線分離，各自使用一套電源供電。光電耦合輸入、輸出端之間絕緣電阻很大（10111013），寄生的電容很?。?.52pF），因而干擾信號很難從輸入端反饋到輸出端。2）可進行電平轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)要求的電平輸出，從而具有初級功率放大作用。3）提高對負載的驅(qū)動能力?？芍苯域?qū)動光控晶閘管工作。如果光電隔離電路與濾波電路、屏蔽電路有效的結(jié)合起來，將會進一步提高微機控制系統(tǒng)的抗干擾能力。5.機電一體化系統(tǒng)主要的干擾源有哪些？有哪些抗

4、干擾的措施？答： 1）系統(tǒng)干擾源的類型傳導(dǎo)型-由線路傳入信號影響控制系統(tǒng)工作。如：供電干擾、強電干擾、接地干擾等。輻射型-由空間感應(yīng)輸入信號影響控制系統(tǒng)工作。如：電磁干擾、電場干擾、靜電干擾等。2）提高系統(tǒng)抗干擾能力的措施針對不同類型的干擾信號，采取的抗干擾措施也有所不同。· 供電系統(tǒng)的抗干擾措施：穩(wěn)壓、濾波、隔離。· 接口電路的抗干擾措施：吸收抑制、阻斷隔離。· 轉(zhuǎn)換接口抵消隔離措施：差動式運算放大器或橋式電路、高頻濾波整形電路。· 接地系統(tǒng)干擾措施：單點接地、并聯(lián)接地、光電隔離接地。6.試比較開環(huán)、半閉環(huán)、和閉環(huán)伺服系統(tǒng)的優(yōu)缺點答：（1）開環(huán)控制就是

5、系統(tǒng)按設(shè)定的參數(shù)來運轉(zhuǎn)，不作監(jiān)測，不反饋。開環(huán)系統(tǒng)最簡單，成本低，但執(zhí)行精度最差，基本無系統(tǒng)波動。（2）半閉環(huán)控制就是在系統(tǒng)的執(zhí)行端之前（非最終端）設(shè)置監(jiān)測，反饋回的信號可以對執(zhí)行端之前的機構(gòu)進行實時調(diào)整。半閉環(huán)系統(tǒng)成本介于兩者之間。（3）閉環(huán)控制是在系統(tǒng)的最終執(zhí)行端設(shè)置監(jiān)測，反饋回的信號直接用于系統(tǒng)整體調(diào)整。閉環(huán)系統(tǒng)最復(fù)雜，控制成本最高，但執(zhí)行精度相當高，系統(tǒng)波動也最大。7.機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計方法通常有哪幾種？大致有哪幾種設(shè)計類型？答：常用的設(shè)計方法：機電互補法、機電結(jié)合（融合）法、機電組合法 常見的設(shè)計類型：開發(fā)性設(shè)計、適應(yīng)性設(shè)計、變異性設(shè)計8.機電一體化系統(tǒng)對檢測傳感器的基本要求是什么

6、?答：體積小、重量輕、適應(yīng)性好。精度和靈敏性高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、信噪比高。安全可靠、壽命長。便于與計算機對接。不易受被檢測對象和外部環(huán)境的影響。環(huán)境適應(yīng)能力強?，F(xiàn)場安裝處理簡單、操作方便，價格便宜。9.提高軟件設(shè)計可靠性的措施是什么？答： 1）利用軟件提高控制系統(tǒng)的可靠性增加系統(tǒng)的管理軟件與硬件的匹配，保護處理信息利用冗余技術(shù)，防止信息輸入輸出和傳送中出錯編制軟件對系統(tǒng)的故障診斷程序和故障修復(fù)程序編制可對系統(tǒng)(硬件和軟件)進行調(diào)試和保護的程序。2）提高軟件自身的可靠性 采用軟件分和層次結(jié)構(gòu)編程。提高軟件自身可測試程序的設(shè)計。對軟件進行測試調(diào)試提高可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。3）軟件測試調(diào)試技術(shù)的制定制

7、定合理的軟件測試調(diào)試技術(shù)方法是提高可靠性的關(guān)鍵技術(shù)之一。具體方法如下：確定軟件測試調(diào)試前的初試條件輸入條件、輸出結(jié)果評價規(guī)范單元或模塊測試局部或系統(tǒng)測試。系統(tǒng)功能或性能調(diào)試與測試?，F(xiàn)場安裝、綜合驗收與評價。10.舉例說明單片機、工控機、PLC在 PLC系統(tǒng)中的應(yīng)用單片機：微機控制的車床、鉆床中的控制器；工程機：作為機電一體化系統(tǒng)中控制中心，有指揮協(xié)調(diào)作用；PLC：開關(guān)量的控制，運動控制，過程控制，數(shù)據(jù)處理通訊聯(lián)網(wǎng)。11.機電一體化系統(tǒng)失效與故障有什么異同？答：如果產(chǎn)品不能完成規(guī)定功能，就稱為失效。對于可修復(fù)的系統(tǒng)（產(chǎn)品），也可稱故障?？梢娛Вɑ蚬收希┦且环N破壞系統(tǒng)（產(chǎn)品）工作能力的事件，失效

8、（或故障）越頻繁，可靠性就越低。12.保證機電一體化系統(tǒng)可靠性的方法有哪些？答：1）提高產(chǎn)品的設(shè)計和制造質(zhì)量裕度法、自動控制。2）采用冗余技術(shù)工作冗余、后備冗余。3）故障診斷技術(shù)測試、癥兆、診斷。注意：裕度法是從改進硬件性能，提高系統(tǒng)可靠性的有效方法；自動控制、冗余技術(shù)、故障診斷技術(shù)是用硬件和軟件來提高系統(tǒng)可靠性的有效措施。13.機電一體化系統(tǒng)設(shè)計時的穩(wěn)態(tài)設(shè)計與動態(tài)設(shè)計共包含哪些內(nèi)容？答：穩(wěn)態(tài)設(shè)計： 使系統(tǒng)的輸出運動參數(shù)達到所要求技術(shù)狀態(tài) 執(zhí)行元件的參數(shù)選擇功率（力/力矩）匹配以及過載能力的驗算。 各主要元件的選擇與控制電路的設(shè)計信號的有效傳遞各級增益的分配各級之間阻抗的匹配和抗干擾措施等，并

9、為后面動態(tài)設(shè)計中的校正補償裝置的引入留有余地。動態(tài)設(shè)計：主要是設(shè)計校正補償裝置，是系統(tǒng)滿足動態(tài)技術(shù)指標要求，通常要進行計算機仿真，或借助計算機進行輔助設(shè)計。14.為保證機電一體化系統(tǒng)的安全性，舉例說明在設(shè)計中應(yīng)采取哪些措施？答：P285 工業(yè)機器人：1、設(shè)置安全* 2、安裝警示燈 3、安裝監(jiān)視器 4、安裝防越程裝置 5、安裝緊急停止裝置 6、低速示數(shù)15.機電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件有哪些？對它們的基本要求是什么？答：執(zhí)行元件：電動式執(zhí)行元件，液動式執(zhí)行元件，氣動式執(zhí)行元件基本要求：（1）慣量小，動力大。（2）體積小，重量輕。（3）安裝方便、便于維修維護。（4）易于實現(xiàn)自動化控制。16機電一體化

10、系統(tǒng)設(shè)計中，各級齒輪傳動比的分配原則是什么？答：1）重量最輕原則 小功率傳動裝置各級傳動比（等傳動比分配，等模數(shù)原則） 大功率傳動裝置各級傳動比確定，應(yīng)遵循“先大后小”原則，再由經(jīng)驗、類比方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊等方法確定。（不等傳動比分配，不等模數(shù)原則）2）輸出轉(zhuǎn)角誤差最小原則為了提高機電一體化系統(tǒng)中齒輪傳動系統(tǒng)傳遞運動的精度，各級傳動比應(yīng)按“先小后大”原則分配，以便降低齒輪的加工誤差、安裝誤差以及回轉(zhuǎn)誤差對輸出轉(zhuǎn)角精度的影響。設(shè)齒輪傳動系統(tǒng)中各級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差換算到末級輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤為，則：式中： 第個齒輪所具有的轉(zhuǎn)角誤差； 第個齒輪的轉(zhuǎn)軸至第級輸出軸的傳動比。3）等效轉(zhuǎn)動慣量最小原則各傳動

11、軸轉(zhuǎn)動慣量等效到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量最小。(機械傳動部分響應(yīng)特性最佳原則)。17.輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則的含義是什么？答：為了提高機電一體化系統(tǒng)中齒輪傳動系統(tǒng)傳遞運動的精度，各級傳動比應(yīng)按“先小后大”原則分配，以便降低齒輪的加工誤差、安裝誤差以及回轉(zhuǎn)誤差對輸出轉(zhuǎn)角精度的影響。18.軸系設(shè)計的基本要求有哪些？答：作業(yè)2.2519.什么是機電互補法、結(jié)合法、組合法？答：作業(yè)1.1620.開發(fā)性設(shè)計、變異性設(shè)計、適應(yīng)性設(shè)計有何異同？答：開發(fā)性設(shè)計是沒有參照產(chǎn)品的設(shè)計，僅僅是根據(jù)抽象的設(shè)計原理要求，設(shè)計出在質(zhì)量和性能方面滿足目的要求的產(chǎn)品。變異性設(shè)計是在設(shè)計方案和功能結(jié)構(gòu)不變的情況下，僅改變現(xiàn)有產(chǎn)品

12、的規(guī)格尺寸使之適應(yīng)于量的方面有所變更的需求。適應(yīng)性設(shè)計是在總的設(shè)計方案、原理基本保持不變的情況下，對現(xiàn)有產(chǎn)品進行局部更改，或用微電子技術(shù)代替原有的機械結(jié)構(gòu)或為了進行微電子控制對機械結(jié)構(gòu)進行局部適應(yīng)性設(shè)計，以使產(chǎn)品在性能和質(zhì)量上增加某些附加價值。所有機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計都是為了獲得用來構(gòu)成事物的有用信息。21.機電一體化系統(tǒng)的接口功能有哪兩種？答：接口功能:輸入,輸出。變換,調(diào)整22.機電一體化系統(tǒng)的主要評價內(nèi)容有哪些?答：作業(yè)1.11 :23.機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計步驟答：明確設(shè)計思想和概念分析系統(tǒng)（產(chǎn)品）的綜合性能指標要求產(chǎn)品調(diào)研和市場調(diào)研根據(jù)目的功能確定產(chǎn)品規(guī)格按產(chǎn)品（系統(tǒng)）內(nèi)部五大功能劃分

13、功能部件或功能子系統(tǒng)確定各功能部件或子系統(tǒng)的功能要素接口設(shè)計整體評價可靠性復(fù)查試制與調(diào)試24.機電一體化系統(tǒng)由哪些子系統(tǒng)所組成？分別實現(xiàn)哪些功能？答：機械系統(tǒng)：構(gòu)造功能電子信息處理系統(tǒng)：控制功能動力系統(tǒng)：動力功能傳感系統(tǒng)：計測功能執(zhí)行控制系統(tǒng)（元件）：操作功能25.傳感器的選用原則及注意事項答：作業(yè)4.19傳感器的選用原則主要是依據(jù)傳感器的使用要求和被控制對象的控制精度要求選擇適用的傳感器。傳感器選用的注意事項在確保主要性能參數(shù)和指標的條件下，適當可放寬次要的性能和指標要求，以便獲得較高的性能價格比。注意：不能盲目的追求傳感器各種性能指標均高的傳感器選擇方法或原則。題型二：分析題第二章1.選擇

14、滾珠絲杠副支承方式第三章2.直流（DC）伺服電動機的驅(qū)動要實現(xiàn)對直流電動機的速度和方向進行調(diào)節(jié)控制，通?？捎脙煞N驅(qū)動控制方式：晶體管直流脈寬調(diào)制驅(qū)動；晶閘管直流脈寬調(diào)速驅(qū)動；1）脈寬調(diào)制驅(qū)動(PWM)工作原理：當輸入一個直流控制電壓 U時就可得到一定寬度與 U成比例的脈沖方波給伺服電機電樞回路供電，通過改變脈沖寬度來改變電樞回路的平均電壓，從而得到不同大小的電壓值Ua，使直流電動機平滑調(diào)速。設(shè)開關(guān)S 周期性地閉合,斷開，閉和開的周期是T。在一個周期T 內(nèi)，閉合的時間是，開斷的時間是T-，若外加電源電壓U 為常數(shù)，則電源加到電動機電樞上的電壓波形將是一個方波列，其高度為U,寬度為,則一個周期內(nèi)電

15、壓的平均值為式中導(dǎo)通率， 又稱占空系數(shù)，=/T2）直流電動機的方向控制3.交流（AC）伺服電動機及其驅(qū)動矢量控制原理：4.步進電動機與驅(qū)動工作原理：5.步進電動機的運行特性與性能指標6.步進電機的驅(qū)動與控制7.步進電機的微機控制主要分為：串行控制和并行控制兩種方法步進電機的加減速控制原則：8.步進電機閉環(huán)控制原理第四章9.專用/通用微型計算機的選擇1）專用控制系統(tǒng)的構(gòu)成與特點用于大批量生產(chǎn)的機電一體化產(chǎn)品。具有機械電子有機結(jié)合緊湊，由專用IC 芯片、接口電路、執(zhí)行元件、傳感器等相互合理匹配成專用控制器，軟件采用專用機器代碼或語言，可靠性強，成本低，但適應(yīng)能力較差。2）通用控制系統(tǒng)的構(gòu)成與特點構(gòu)

16、成：控制系統(tǒng)以通用微型計算機為核心，設(shè)計專用或選用通用的集成IC 芯片、接口電路、執(zhí)行元件、傳感器，以及相互合理匹配元件，組成具有較好通用能力的控制器。軟件采用通用平臺軟件系統(tǒng)。特點：具有可靠性高，適應(yīng)性強，但成本高，應(yīng)采取一定的抗干擾措施等特點。應(yīng)用：適用于多品種、中小批量生產(chǎn)的機電一體化產(chǎn)品。10.硬件與軟件的權(quán)衡/匹配任何微機控制系統(tǒng)的控制功能，即可以由硬件實現(xiàn)，也可以由軟件實現(xiàn)，兩者的合理匹配是確定或選用微機控制系統(tǒng)研究內(nèi)容之一。主要依據(jù)經(jīng)濟性、可靠性、適用性等要求來決定。 主要用通用分離元件組成的控制系統(tǒng)最好采用軟件來實現(xiàn)對機電一體化產(chǎn)品的主要控制功能，接口少，易于調(diào)整，適應(yīng)能力強，

17、但成本較高。 主要用專用集成元件組成的控制系統(tǒng)最好選用硬件實現(xiàn)對機電一體化產(chǎn)品的主要控制功能，具有廉價、可靠、處理速度快等特點。11.微機控制系統(tǒng)輸入/輸出的可靠性設(shè)計1）能可靠地傳遞各類控制信息有效保證輸入/輸出控制信號轉(zhuǎn)換的運動狀態(tài)。2）能夠進行有效的信息轉(zhuǎn)換滿足微機對輸入/輸出信息類型的轉(zhuǎn)換要求。如：A/D、D/A 轉(zhuǎn)換；平行數(shù)字信號與串行數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換；電平信號的轉(zhuǎn)換與匹配；電量與非電量的轉(zhuǎn)換；強電與弱點轉(zhuǎn)換。3）具有阻斷干擾信號進入微機控制系統(tǒng)的能力主要采用濾波技術(shù)、光電隔離技術(shù)、屏蔽技術(shù)等。12.幾種常用光電耦合器結(jié)構(gòu)原理圖機械傳動系統(tǒng)模型（課上補充）(1) 機械移動系統(tǒng)機械移動系

18、統(tǒng)的基本元件是質(zhì)量、阻尼和彈簧。圖5-1 是這三個系統(tǒng)機械元件的符號表示。F(t)代表外力；x(t)代表位移；m 代表質(zhì)量；f 為粘滯阻尼系數(shù)，K 為彈簧剛度。由圖可得到：質(zhì)量的數(shù)學模型為阻尼器的數(shù)學模型為彈簧的數(shù)學模型為下面舉例說明平移系統(tǒng)的建模方法：圖5-2 為組合機床動力滑臺洗平面的情況。若不計M 與地面間的摩擦，系統(tǒng)可以抽象成圖5-3 所示的力學模型。根據(jù)牛頓第二定律，系統(tǒng)方程為 對上式取拉氏變換，得系統(tǒng)傳遞函數(shù)圖5-4 是一個簡單隔震系統(tǒng)裝置示意圖。對其受力情況進行分析后，得系統(tǒng)運動方程為對上式取拉氏變換，得系統(tǒng)傳遞函數(shù)根據(jù)上式可畫出系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖如圖5-5 所示。圖5-2 動力滑臺洗平面圖5-3 圖5-2 的力學模型圖5-2 動力滑臺洗平面圖 5-3 圖5-2 的力學模型圖5-4 隔震系統(tǒng)裝置圖5-5 隔震裝置方框圖圖5-1 機械直線移動元件機電班機電一體化系統(tǒng)設(shè)計復(fù)習課ZJ 整理（）長風破浪會有時，直掛云帆濟滄海12圖5-6 所示機械系統(tǒng)，是一個單輪汽車支撐系統(tǒng)的簡化模型。圖中：m1 為汽車質(zhì)量，f 為震動阻尼器系數(shù)；K1 為彈簧剛度；m2 為輪子質(zhì)量；K2 為輪